燃氣管道非開挖修復(fù)更新技術(shù)特點

摘 要

摘要：研究了國內(nèi)外非開挖管道修復(fù)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，對目前我國燃氣管道主要應(yīng)用的非開挖修復(fù)更新技術(shù)進行了介紹，分析了各工藝的特點與使用范圍。關(guān)鍵詞：管道修復(fù)更新；非開挖；裂管法；穿
摘要：研究了國內(nèi)外非開挖管道修復(fù)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，對目前我國燃氣管道主要應(yīng)用的非開挖修復(fù)更新技術(shù)進行了介紹，分析了各工藝的特點與使用范圍。
關(guān)鍵詞：管道修復(fù)更新；非開挖；裂管法；穿插內(nèi)襯法；擠壓穿管法；翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法
Characteristics of Technologies for Trenchless Rehabilitation and Replacement of Gas Pipeline
MIAO Yongjian，LIU Jinlan
Abstract：The development of trenchless pipeline rehabilitation teehnologies at home and abroad is studied.The technologies for trenchless rehabilitation and replacement of gas pipeline in China are introduced.The characteristics and application range of different processes are analyzed.
Key words：pipeline rehabilitation and replacement；trenchless；pipe bursting； insertion lining：Rolldown；cured-in-place-pipe(CIPP)
1 概述
    中石油昆侖燃氣有限公司(簡稱昆侖燃氣公司)作為中國石油城市燃氣運營的專業(yè)化公司，業(yè)務(wù)主要分布在20多個省、市、自治區(qū)，供氣管道覆蓋近100座城市。由于原有燃氣管道的老化，城市燃氣管網(wǎng)的改造將涉及大批管道的更新，地下燃氣管道修復(fù)的工程量將逐年加大。在交通繁忙地段采取原有的開挖路面埋設(shè)新管的方式將無法滿足新形勢下城市建設(shè)的要求，非開挖管道更新修復(fù)技術(shù)無疑將彌補原有技術(shù)的不足，可盡量減少對交通、周圍環(huán)境的影響，降低施工成本[1～6]。為了能夠科學(xué)地應(yīng)用非開挖技術(shù)修復(fù)埋地管道，我們有必要深入研究目前市場上各種非開挖技術(shù)的原理和應(yīng)該注意的問題，在引入非開挖技術(shù)時少些盲目性，多些科學(xué)性。
2 非開挖管道修復(fù)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r[7～8]
    非開挖技術(shù)是指利用現(xiàn)代化地下管道的施工機械，在不開挖或只挖少量作業(yè)坑(井)的條件下，以高效、優(yōu)質(zhì)、成本適中的方式，進行敷設(shè)、修復(fù)和更換管道的技術(shù)。其主要應(yīng)用于各類地下管道工程建設(shè)領(lǐng)域，其作業(yè)方式在國際上被稱為非開挖技術(shù)(No-Dig)或無溝渠技術(shù)(Trenchless Technology)。
    現(xiàn)代非開挖管道施工技術(shù)與裝備是20世紀(jì)80年代在發(fā)達國家興起并形成新興的產(chǎn)業(yè)，是對傳統(tǒng)地下管道開挖敷設(shè)、更換、修復(fù)施工技術(shù)的一次革命。自正式進入工程施工市場至今，在短短的20余年時間內(nèi)，以其獨到的技術(shù)特征與優(yōu)勢，以其對環(huán)境、城鎮(zhèn)交通的最小影響和危害，以其效率和成本等優(yōu)勢，日益受到歐美發(fā)達國家的重視和提倡，取得了很好的社會和經(jīng)濟效益。目前非開挖管道工程技術(shù)已在西方發(fā)達國家成為一項政府支持、社會提倡、企業(yè)參與的新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，成為城市現(xiàn)代化進程中的一項關(guān)鍵技術(shù)。在國外，尤其是西方發(fā)達國家，非開挖技術(shù)的應(yīng)用已十分普遍，施工工作量急劇增加。如德國，約10%的管道施工采用非開挖技術(shù)，個別城市該比例更高。
   1986年，成立了國際性的行業(yè)協(xié)會——國際非開挖技術(shù)協(xié)會(The International Society For Trenchless Technology，ISTT)，旨在推動該技術(shù)的發(fā)展，促進同行間的交流，擴大該技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前，加入ISTT的國家和地區(qū)已達30多個。中國非開挖技術(shù)協(xié)會在1998年7月正式簽約加盟ISTF。ISTT向會員國協(xié)會提供刊物、年報以及有關(guān)非開挖技術(shù)的技術(shù)規(guī)范等，并對非開挖技術(shù)培訓(xùn)提供技術(shù)支持。中國非開挖技術(shù)協(xié)會(CSTF)于1998年成立，協(xié)會成立后，對非開挖技術(shù)進行了大量的宣傳工作，并出版了相應(yīng)的非開挖技術(shù)期刊《非開挖技術(shù)》，對我國非開挖技術(shù)的發(fā)展和引進國外先進的技術(shù)起到了極大的推動作用。
    我國非開挖技術(shù)的市場前景與現(xiàn)代化建設(shè)的進程密切相關(guān)。目前，城市的數(shù)量近800多個，城鎮(zhèn)人口超過4×108人，老城市改造和新城市建設(shè)中的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作量大幅度增加，對石油、燃氣、電力、電信、自來水、污水等各種地下管道的需求在較長的時間內(nèi)有較大幅度的增長。西氣東輸工程項目的建設(shè)，其中公路、鐵路、河流和城區(qū)穿越上千次。這為我國非開挖施工技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件，我國非開挖技術(shù)市場潛力巨大。但我國非開挖施工技術(shù)與西方發(fā)達國家相比，整體上還存在很大的差距。我國非開挖技術(shù)的研究起步較晚，其應(yīng)用和發(fā)展大致可分為兩個階段：1953—1985年為第一階段，對傳統(tǒng)的非開挖技術(shù)的探索階段；1985年至今為第二階段，為引入現(xiàn)代非開挖技術(shù)與裝備并開始消化階段。
    在我國，目前尚無完整的非開挖技術(shù)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，更談不上具有國際市場競爭力。從總體上看對非開挖技術(shù)的科學(xué)研究與試驗仍處于起步階段，與國外相比差距很大。為加速發(fā)展我國非開挖施工技術(shù)，必須從總體上統(tǒng)籌規(guī)劃，從非開挖技術(shù)、裝備、工藝等眾多方面入手，指導(dǎo)非開挖施工技術(shù)的發(fā)展。據(jù)中國非開挖技術(shù)協(xié)會不完全統(tǒng)計，2003年我國用非開挖技術(shù)方法完成的管道修復(fù)工程量達到180km，與2002年的35km相比增加了4倍。使用的方法以內(nèi)襯法為主，包括折疊法(Folded Liner，又稱U型法或N型法)、同徑壓縮法、翻轉(zhuǎn)法(CIPP)以及水泥砂漿涂敷法等。折疊法和同徑壓縮法完成的工作量達到150km，翻轉(zhuǎn)法完成的工作量約18km。管道修復(fù)技術(shù)作為一門行業(yè)，它正面臨著另一個轉(zhuǎn)折點?？赡苓€需要經(jīng)過大約10a的曲折發(fā)展，它才能真正從各方面滿足明挖和非開挖管道更新需求。
3 燃氣管道非開挖更新修復(fù)技術(shù)[9～18]
    燃氣管道更新修復(fù)技術(shù)主要有以下3種：①裂管法施工技術(shù)，又稱脹管法、碎管法、爆管法；②管道穿插技術(shù)；③翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯管道修復(fù)技術(shù)。
3.1 裂管法施工技術(shù)
    舊管道更換目前以裂管法為主，通過破碎已經(jīng)存在的舊管道，更換直徑與之相等或更大的新管道。該工藝可以對灰鑄鐵管、無筋水泥管、鋼管、石棉管、陶瓷管等其他脆質(zhì)管材進行裂管，敷設(shè)的新管道可以是高密度聚乙烯管、陶瓷管、鋼管等。按動力性質(zhì)的不同，裂管設(shè)備可分為氣態(tài)動力裂管系統(tǒng)和靜態(tài)動力裂管系統(tǒng)。
    ① 氣態(tài)動力(高壓空氣)裂管系統(tǒng)：遁地穿梭矛(夯管錘)。工作原理為：依靠高壓空氣產(chǎn)生沖擊力，通過一種“環(huán)狀”壓力作用于舊管道，使其受壓而破裂。這種技術(shù)由氣體沖擊矛與相應(yīng)的脹管器組成。依靠撞擊動作來破壞沖擊矛殼體外的舊管道，同時通過脹管器擠壓舊管道碎片進入周圍土壤，為新管道提供空間。卷揚機鋼絲繩與沖擊矛頭部用拉環(huán)連接，卷揚機始終提供一種穩(wěn)定的拉力，保證裂管時沖擊矛正確的方向與傾角。
    ② 靜態(tài)動力(液壓)裂管系統(tǒng)。液壓裂管法的工作原理為：首先將鉆桿插進舊管道中，然后鉆桿與切割刀頭、脹管頭、拉管器、新管道相連。切割刀頭切割舊管道，脹管頭脹裂舊管，同時擠壓碎片進入周圍土壤以容納新管道。
    裂管法不但可以更換同等尺寸的管道，還可以更換更大尺寸的管道，可以比原管徑大20%～30%，這是裂管法特有的優(yōu)勢。其他優(yōu)勢還有：一是無需對原管道進行清淤、清洗，節(jié)省人力物力和施工時間；二是工作坑開挖面積小，方便在城市交通繁忙的路段進行施工；三是對周圍的其他地下管道設(shè)施幾乎沒有影響；四是與其他非開挖管道修復(fù)技術(shù)相比，施工風(fēng)險較低。
3.2 管道穿插技術(shù)
    管道穿插技術(shù)根據(jù)穿插管的口徑可分為異徑非開挖穿插以及擠壓穿插技術(shù)，擠壓穿插技術(shù)按照擠壓形式的不同，又可分為縮徑法以及U型穿插法。
    由于耐腐蝕、使用壽命長、焊接及維修方便等優(yōu)勢，PE管已廣泛應(yīng)用于中低壓燃氣管道。PE管具有良好的柔韌性，易于彈性變形，便于牽引，適合進行穿插作業(yè)。
    ① 異徑非開挖穿插技術(shù)(穿插內(nèi)襯法)
    異徑非開挖穿插是在原有較大口徑舊管中穿插較小口徑的新管，然后在新舊管中間注漿穩(wěn)固的方法，采用卷揚機等作為動力，完成新管道的敷設(shè)。由于天然氣的熱值和輸送壓力均高于人工煤氣，在相同熱量需求的情況下，天然氣管道的口徑可以比輸送人工煤氣的管道口徑小，同時PE管的管壁光滑，輸送能力比鋼管高。因此，在舊管道中穿插較小口徑的PE管同樣能夠滿足用戶的需求。
    異徑非開挖穿插的優(yōu)點：一是施工工藝簡單，易學(xué)易做，對工人的技術(shù)素質(zhì)要求低；二是施工速度快，分段施工時對交通和周邊環(huán)境的影響輕微；三是僅使用絞車等一般市政施工設(shè)備，不需要專用的設(shè)備，投資少、施工成本低。
    異徑非開挖穿插的缺點：一是過流斷面損失較大；二是環(huán)形間隙要求注漿，由于環(huán)狀間隙較小，注漿較困難。
    新插管的外徑不宜大于舊管內(nèi)徑的90%，一次穿插長度受作業(yè)段的作業(yè)空間、回拖設(shè)備的能力、管材強度的限制。據(jù)報道，單次穿插長度曾達600m。
   ② 擠壓穿管技術(shù)
   非開挖擠壓穿插完全適應(yīng)PE管的可塑性，經(jīng)壓縮并恢復(fù)的管道不影響PE管的各項技術(shù)指標(biāo)。
   縮徑法(Deformed and Reformed)是指通過機械作用使塑料管道的斷面產(chǎn)生變形，如縮小直徑或改變形狀，然后將新管送入舊管內(nèi)，最后通過加熱、加壓或靠自然作用使其恢復(fù)到原來的形狀和尺寸，從而與舊管形成緊密配合的方法?？s徑法利用了中密度或高密度聚乙烯的聚合鏈結(jié)構(gòu)在達到屈服點之前結(jié)構(gòu)的臨時性變化不影響其性能這一特點，使襯管的直徑臨時性地縮小，達到在舊管道中形成新的內(nèi)襯的目的。
    縮徑法的主要優(yōu)點：一是新舊管之間配合緊密，不需注漿，施工速度快；二是管道修復(fù)后的過流斷面的損失很小；三是可適應(yīng)大曲率半徑的彎管；四是可長距離修復(fù)；五是可用于舊管道結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性損壞的修復(fù)?？s徑法的主要缺點：一是主管道與支管道間的連接需開挖進行；二是舊管的結(jié)構(gòu)性破壞會導(dǎo)致施工困難；三是施工設(shè)備昂貴，縮徑尺寸有限，施工成本較高。
    據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)水平，縮徑法適用的管徑范圍是75～1200mm，單次修復(fù)管道長度可達1000m。適用修復(fù)的管道類型為重力管道和壓力管道。適用管材包括高密度聚乙烯(HDPE)管，中密度聚乙烯(MDPE)管，普通PE管等。
    根據(jù)內(nèi)襯管變形時的能量來源，可將縮徑法分為兩類：冷軋法和模具拉拔法。工作中兩種方法的縮徑幅度都控制在10%～20%。冷軋法使用一組滾軋機靠徑向約束擠壓變形，模具拉拔法使用一個縮徑模具，牽拉新管強行通過，使塑料管的長分子鏈重新組合，靠軸向拉伸變形使管徑減小。小直徑的管道可在常溫下拉拔，大直徑的管道通常在加熱的條件下拉拔。模具拉拔法是一個連續(xù)的施工過程，一旦開始施工便不能中途停止，這是因為絞車停止?fàn)坷瓡r變形管就會開始恢復(fù)形狀，暫停后難以再置入舊管道內(nèi)。但該工藝修復(fù)的管道承壓性好，壽命長，被英國燃氣行業(yè)通過嚴(yán)格的試驗后認可。
    U型穿插法(又稱折疊內(nèi)襯法，F(xiàn)old-and-form Lining)：通過把外徑略大于待修復(fù)管道內(nèi)徑的高密度聚乙烯內(nèi)襯管，利用特制的u型壓制設(shè)備，使內(nèi)襯管變?yōu)閁型。縮小內(nèi)襯管截面積30%以上，通過捆扎定型、牽引拉入、外力恢復(fù)等過程使襯管緊緊地與舊管道內(nèi)壁結(jié)合在一起，形成“管中管”結(jié)構(gòu)，從而形成對管道的內(nèi)襯修復(fù)。襯管的厚度可根據(jù)修復(fù)管道的管徑、輸送介質(zhì)、工作壓力等因素作適當(dāng)調(diào)整，以滿足不同的工程需求。
    折疊內(nèi)襯法的優(yōu)點：一是施工時占用場地小，可利用現(xiàn)有入井施工；二是新襯管與舊管可形成緊密配合，管道的過流斷面損失小，無需對環(huán)狀空間注漿；三是管道連續(xù)無接縫，一次修復(fù)作業(yè)距離長；四是對舊管道清洗要求低，只要達到內(nèi)壁光滑無毛刺即可施工，質(zhì)量容易得到保證；五是折疊后斷面收縮率高，斷面面積可減小30%以上，穿插順暢。
3.3 翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯管道修復(fù)技術(shù)
    翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法(Cured-in Place Pipeline，CIPP)使用有防滲膜的纖維增強軟管、編織軟管或無紡氈等作襯里材料，浸透熱固性樹脂、聚酯或環(huán)氧樹脂，將浸有樹脂的軟管一端翻轉(zhuǎn)并用夾具固定在待修復(fù)管道的入口處，然后利用水壓或氣壓使軟襯管浸有樹脂的內(nèi)層翻轉(zhuǎn)到外面并與舊管的內(nèi)壁緊貼，繼而使用常溫水、熱水、蒸汽、紫外線等方式之一使樹脂固化，形成一層緊貼舊管內(nèi)壁的具有防腐防滲功能的堅硬襯里。CIPP修復(fù)后創(chuàng)建了一種緊密貼合的管中管復(fù)合結(jié)構(gòu)，新舊管道共同承壓。
    翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法的特點可概括為：開挖量極小，內(nèi)襯管和舊管間形成了緊密配合，不需注漿，施工速度快，工期短；幾乎適用于任何斷面形狀的管道，沒有接頭；新舊管道共同承壓，強度高；修復(fù)費用低，使用壽命長。
    根據(jù)國內(nèi)的使用經(jīng)驗，翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法的適用范圍是：管徑為50～2700mm；一次施工長度可達400～1200m；適用于重力管道和壓力管道，且對舊管道的材質(zhì)無要求。但以下情況不適于使用CIPP法：舊管道存在結(jié)構(gòu)性損壞、管道變形嚴(yán)重、地下管道在公路下埋設(shè)較淺、動荷載長期作用場所、位于省際高速公路下的管道。
4 結(jié)語
    隨著我國城市化進程的推進，使用非開挖法進行管道修復(fù)的技術(shù)也必將受到重視。但目前的起點還非常低，有關(guān)技術(shù)規(guī)范的編寫，新材料、新工藝的研究仍是一條漫長的道路。隨著管道修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)的管道修復(fù)市場正在日趨成熟，對老管道的缺陷補強修復(fù)與內(nèi)部防腐是成功的，并顯示了巨大的經(jīng)濟與社會效益。應(yīng)積極借鑒國外先進技術(shù)，加速發(fā)展國內(nèi)技術(shù)，并做好管道修復(fù)技術(shù)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的配套工作，以推進管道修復(fù)技術(shù)的研究與進一步推廣應(yīng)用。
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(本文作者：苗永健 劉金嵐 中石油昆侖燃氣有限公司 北京 100101)